微流控1——大盘点：芯片材料、加工工艺及微流体操控技术行业分析

微流控1——大盘点：芯片材料、加工工艺及微流体操控技术

发布时间：2022-06-22 10:00:35浏览次数：

【临床分类】体外诊断 【应用领域】POCT 【作者】武瑾嵘

丨导读

和义广业【行业分析】之微流控系列，将系统解读微流控芯片加工工艺、技术优缺点、医疗领域应用、市场现状、产业上下游、代表企业及未来发展趋势。本篇文章作为系列开篇将介绍微流控技术定义，总结芯片常用材料的优缺点，并列举分析加工工艺及操控技术。

▍微流控定义及应用领域

（一）微流控定义

提到实验室，我们想到的都是实验室里琳琅满目的器材设备，繁复而严谨的操作方式，而微流控技术是在一个几平方厘米的芯片中依靠外力或芯片材料自身的毛细现象实现液体在微观尺度上的精确混合、反应和分离。其与传统生物化学分析、微阵列生物芯片分析之间的比较如下表所示：

图. 传统实验室转换为微流控芯片实验室的示意图^[1]

微流控芯片主体结构分为上下两层片基，由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、玻璃等材料所制成，其中包括了微通道，微结构、进样口，检测窗等结构单元，外围设备有蠕动泵、微量注射泵、温控系统、以及紫外、荧光、电化学、色谱等检测部件。由于需要驱动和控制微流体的流动，以及对于温度和自动化的控制等因素，制作时需要在微流控芯片上安置电器设备，这也是微流控芯片的必要部分（如图所示）。

图. 微流控结构示意图

由于芯片上包含有不同功能的通道、泵、阀、混合室、检测区等，改变了过去需要大型设备、定环境、复杂操作的要求，达到了高精确、高效率、低污染的效果，可以广泛应用于临床检验医学、生物化学和分子生物等领域^[2][3]。

（二）微流控芯片常用材料、工艺及操控技术

1、微流控芯片常用材料

通过上面对微流控芯片的了解可以知道芯片制造材料的选择尤为重要，且应满足以下原则：

①材料有足够的化学和生物相容性，不能发生反应，否则会对芯片造成损害；

②材料具有电绝缘性和散热性，以便于更好进行作业；

③材料对于检测信号的干扰程度小，或者没有干扰；

④材料便于获得，且制作程序简单；

⑤材料具有良好的可修饰性，可产生电渗流或固载生物大分子。

微流控芯片的制作材料多种多样，下面就常用的聚合物和玻璃两种材料进行详细介绍。

（1）聚合物材料：

优势

种类繁多、原材料成本低、易于加工成型、适合大批量生产，多用于生命科学领域。目前的应用最广泛，如PMMA可用于荧光检测、环状烯烃共聚高分子（COP）用于PCR和荧光检测等。

不足

不耐高温、导热性能低、部分材料价格较高。

代表

PDMS材料：①透明性，对可见光与紫外光的可穿透性，可与多种光学检测器实现联用；②生物相容性、无毒性和透气性，可在细胞实验中使用；③柔韧性等。由于其上述显著优势而适用于基于生物的微流体应用，但其对非特异性分子的吸附能力可能会造成PDMS制成的微通道吸收有机溶剂和蛋白质，从而导致堵塞甚至细胞粘附问题。

PMMA材料：①良好的折射率，可以表现玻璃般的光学清晰度和透明度；②热塑性好；③具有良好的机械稳定性和化学电阻率；④价格便宜，重量轻，更具成本效益。但其不适合制造集成的柔性元件，如用于细胞培养的多孔，以及导电性和可拉伸的微流体传感器等。

（2）玻璃材料

优势

①透光性和电渗性良好，荧光背景低；②具有化学惰性且与大多数生物样品相兼容，因此能够保持良好的生物相容性；③允许涂层，表面通道易于修饰；④机械强度大，微通道的热变形小；⑤具有耐高压性。

不足

不透气且具有相对低的非特异性吸附；制备成本高、周期长；加工精度和键合封接工艺需要提升。

代表

熔融石英、硼硅酸盐、玻璃陶瓷、光敏玻璃

应用

玻璃微流控芯片的一大主要应用是毛细管电泳，此外还有片上反应液滴形成、溶液萃取等。

（3）其他材料

除此之外，还有硅、陶瓷以及纸等也在芯片的制作中扮演着重要的角色。

2、微流控芯片常用加工工艺

微流体通道的加工工艺有光刻和刻蚀技术、热压法、模塑法、注塑法LIGA 法和激光烧灼法等传统方法以及 3D 打印等多种手段，下面就光刻法和模塑法这两种常用的手段进行详细的说明。

（1）光刻和刻蚀技术^[4]

光刻是利用光成像和光敏胶在微流控芯片的基片如硅、玻璃等材料上图形化的过程，其基本工艺过程包括：预处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜等。

①基片清洗

通过抛光、酸洗、水洗的方法使硅、石英或玻璃等基片表面得以净化，并将其干燥，便于后续光刻胶与基片表面的粘附；

②涂胶

在处理过的基片表面均匀涂上一层光刻胶；

③前烘

去除光刻胶液中溶剂，增强光刻胶与基片粘附以及胶膜的耐磨性；

④曝光

曝光是光刻中的关键工序，主要是用紫外光等透过掩模对光刻胶进行选择性照射，在受光照的地方，光刻胶发生化学反应，改变感光部位胶的性质，如图所示；

⑤ 显影

把曝光过的基片用显影液清除应去掉的光刻胶，以获得与掩模相同（正光刻胶）或相反（负光刻胶）的图形，如图所示；

⑥坚膜

将显影后的基片进行清洗并烘烤，彻底除去显影后残留于胶膜中的溶剂或水分，使胶膜与基片紧密粘附，防止胶层脱落，并增强胶膜本身的抗蚀能力。

（2）模塑法

用光刻方法先制出阳模(所需通道部分突起)，然后浇注液态的高分子材料，将固化后的高分子材料与阳模剥离就得到具有微通道的芯片。其关键在于模具和高分子材料的选择，理想的材料应相互之间粘附力小，易于脱模。

制作过程：通过光刻在负光胶上得到图形，经显影烘干后直接作模具用；用聚二甲基硅氧烷浇注于由硅材料、玻璃等制得的母模上得到聚二甲基硅氧烷模具。

（3）其他方法

3、微流体操控技术^[5]

在微流体操控技术中，微流体的驱动和控制是实现对微量（纳升级至皮升级）液体精准操控的前提和基础，其控制方式种类众多，采用的原理和形式也不尽相同，按控制方式来说可以分为被动式和主动式两种。

被动式微流控，也叫自驱式微流控，其更多由自然力也就是液体本身在微管道中发生的毛细现象来控制，使液体产生定向的流动，该方式下只有微流没有控，所以对液体的控制并不是很精准，因此在日常中主要应用于简单的检测项目，如雅培美艾利尔的免疫诊断POCT仪Triage和微点生物的免疫诊断仪器mLabs均为毛细力驱动微流控。

主动式微流控是更被认可的“真正的”微流控，既有微流又有控，即定义中提到的通过芯片内部精密的反应室与阀门装置来精准控制液体流动。主动式微流控往往是为了满足更加复杂的实验过程要求的，比如分子检测等，其控制方式包括压力式、离心式、磁力式等，下面就压力式和离心式两种进行详细介绍。

（1）压力式微流控

利用气压或液压或气液压混合来控制液体在芯片中的运动，在微流控产业化中出现的相对较多，如图所示。压力式微流控企业包括：丹纳赫Cepheid的全自动分子诊断平台GeneXpert、罗氏诊断的PCR仪cobas Liat、Atlas Genetics用于传染病诊断的Atlas Genetics io、博晖创新的HPV分子诊断全自动分析仪、华迈兴微的微型化学发光分析系统M2等。